DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01356-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38409640
تاريخ النشر: 2024-02-26
المؤلف: Meng Lian وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأيروجيلات والعزل الحراري
نظرة عامة
تقدم البحث تطوير فيلم هلامي من ألياف السليلوز النانوية الهيكلية اللاملائمة (DAF) من خلال عملية تجلط مفكك مستحث بالتصفية تليها التجفيف في الهواء. يظهر هذا الفيلم الهلامي مرونة ميكانيكية ملحوظة وقدرة على التحمل ضد التشوهات المعقدة، وذلك بفضل الروابط الهيدروجينية القوية داخل الطبقات والروابط بين الطبقات الأضعف نسبياً، مما يحافظ على السلامة الهيكلية للهندسة النانوية بعد إزالة المذيب. يحقق DAF قوة ميكانيكية تبلغ 28.7 ميغاباسكال ويظهر موصلية حرارية منخفضة تبلغ 33 مللي واط م\(^{-1}\) ك\(^{-1}\).
بالإضافة إلى ذلك، يعرض الفيلم الهلامي نفاذية عالية للضوء المرئي بنسبة 91.0% وانبعاثية تحت الحمراء انتقائية بنسبة 90.1%، facilitated by the presence of functional groups such as C-O-C, C-F, Si-O-Si, and Si-O-C. تعزز إضافة مجموعات تحتوي على الفلور من خاصية DAF الكارهة للماء ومتانته، مما يؤدي إلى طاقة سطحية أقل ومقاومة محسنة للأشعة فوق البنفسجية. كنافذة لتنظيم الحرارة الشمسية، لا يقوم DAF بتحسين الإضاءة الداخلية فحسب، بل يوفر أيضًا تنظيمًا حراريًا فعالًا، محققًا انخفاضًا في درجة الحرارة بحوالي 2.6 °م تحت ضوء الشمس المباشر مقارنةً بالزجاج الشفاف التقليدي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على استهلاك الطاقة الكبير المنسوب إلى المباني، وخاصة من أنظمة التبريد مثل مكيفات الهواء، التي تمثل حوالي 40% من استخدام الطاقة العالمي. تعتبر النوافذ، كونها أقل مكونات envelopes المباني كفاءة في استهلاك الطاقة، مسؤولة عن 40%-60% من إجمالي استهلاك الطاقة. لتعزيز كفاءة الطاقة، من الضروري تطوير مواد نوافذ تقدم عزلًا حراريًا عاليًا وتنظيمًا فعالًا للإشعاع الشمسي. لقد ظهرت تقنية التبريد الإشعاعي النهاري السلبية كحل واعد، مما يسمح بتبديد الحرارة دون إدخال طاقة إضافية. ومع ذلك، تكافح النوافذ الحالية الموفرة للطاقة لتحقيق تبريد تنظيمي شمسي حراري مثالي، مما يستدعي تطوير مواد جديدة.
تقدم الورقة فيلم الهلام المفكك (DAF) كحل محتمل، تم تصنيعه من خلال عملية من ثلاث خطوات تشمل تجلط مفكك لألياف السليلوز النانوية المفلورة (FCNF)، وتبادل المذيب، والتجفيف في الهواء. يظهر DAF الناتج مرونة ميكانيكية استثنائية، موصلية حرارية منخفضة (33 مللي واط م⁻¹ ك⁻¹)، ونفاذية عالية للضوء المرئي (91.0%). ومن الجدير بالذكر أنه يظهر انبعاثية تحت الحمراء انتقائية بنسبة 90.1% وخصائص كارهة للماء عالية، مما يجعله مناسبًا للبيئات ذات درجات الحرارة العالية والرطوبة. يتميز أداء DAF بقدرته على خفض درجات الحرارة الداخلية بحوالي 2.6 °م مقارنةً بالزجاج التقليدي مع الحفاظ على نفاذية عالية للضوء. يقدم هذا البحث نهجًا جديدًا لإنشاء نوافذ موفرة للطاقة تنظم درجات الحرارة الداخلية بفعالية وتعزز كفاءة الطاقة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك عينة مسحوق من ألياف السليلوز النانوية (CNF) مأخوذة من Guilin Odd Macro Technologies و perfluorodecyltriethoxysilane (PFOTES) من Adamas Reagent Co. تم الحصول على مذيبات أخرى مثل الإيثانول، البروبانول، والهكسان من Titan Reagent Co.، مع استخدام الماء المقطر طوال التجارب. تم استخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية.
تم إجراء تحليل لتراكيب CNF وألياف السليلوز النانوية المفلورة (FCNF) باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR) ضمن نطاق الطول الموجي من 4000-400 سم$^{-1}$. شملت تقنيات التحليل الإضافية مطياف الإلكترونات الضوئية (XPS) للتحليل العنصري، وقياسات انبعاثية الطيف تحت الأحمر المتوسط عبر مطيافية FT-IR، وتقييمات ريوولوجية لأفلام هيدروجيل FCNF باستخدام مقياس ريوولوجي HAAKE MARS. تم إجراء تحليل مورفولوجي باستخدام مجهر إلكتروني مسح ميداني (FESEM)، بينما تم تقييم مساحات السطح وحجم المسام باستخدام امتصاص النيتروجين ونموذج نظرية الكثافة غير المحلية (NLDFT). تم تحديد الخصائص الميكانيكية باستخدام آلة اختبار عالمية من إنستران، وتم إجراء التحليل الهيكلي عبر تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) وحيود الأشعة السينية (XRD). تم تقييم الخصائص الحرارية باستخدام محلل حراري ساخن وتصوير حراري، مع قياس زوايا الاتصال بواسطة محلل زوايا الاتصال.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج المستخلصة من الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام، والذي يتماشى مع التوقعات النظرية الموضحة في المقدمة.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مع التأكيد على أهميتها في المجال الأوسع للدراسة. يقترح المؤلفون أن الظواهر الملحوظة قد تؤدي إلى تقدم في التطبيقات العملية، لا سيما في مجالات مثل [التطبيقات المحددة المذكورة في الورقة]. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز فهم الآليات الأساسية المعنية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع فيلم هلامي مفكك (DAF) بنجاح باستخدام استراتيجية تجلط مفكك مستحث بالتصفية وتجفيف في الهواء. تضمنت العملية التحلل الجزئي لـ perfluorodecyltriethoxysilane (PFOTES) في مذيب مختلط، تلاها إدماج ألياف السليلوز النانوية (CNF) لإنشاء هيكل مسامي ومرن للغاية. أظهر DAF قوة ميكانيكية ملحوظة تبلغ 28.7 ميغاباسكال وموصلية حرارية منخفضة تبلغ 33 مللي واط م⁻¹ ك⁻¹، وذلك بفضل الروابط الهيدروجينية القوية داخل الطبقات والهندسة المسامية الفريدة. بالإضافة إلى ذلك، أظهر DAF نفاذية عالية للضوء المرئي (91.0%) وانبعاثية انتقائية (90.1%) في نافذة الشفافية الجوية، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات تنظيم الحرارة الشمسية.
تم التحقق من أداء DAF من خلال تجارب خارجية، حيث كشفت عن انخفاض متوسط في درجة الحرارة بحوالي 7.5 °م تحت ضوء الشمس المباشر، مما يظهر قدراته الفائقة في التبريد مقارنةً بالمواد التقليدية. تم تأكيد متانة الفيلم من خلال اختبارات الشيخوخة، التي أشارت إلى ثبات خاصية الكارهة للماء ومقاومة التدهور البيئي، مما حافظ على أدائه في التبريد حتى بعد التعرض المطول. بشكل عام، يقدم DAF حلاً واعدًا لمواد البناء الموفرة للطاقة، حيث يجمع بين إضاءة داخلية فعالة وخصائص تنظيم حراري محسنة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01356-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38409640
Publication Date: 2024-02-26
Author(s): Meng Lian et al.
Primary Topic: Aerogels and thermal insulation
Overview
The research presents the development of a lamellar-structured fluorinated cellulose nanofiber aerogel film (DAF) through a process of filtration-induced delaminated gelation followed by ambient drying. This aerogel film exhibits remarkable mechanical flexibility and resilience against complex deformations, attributed to strong intra-plane hydrogen bonding and relatively weaker inter-layer bonding, which preserve the structural integrity of the nanoporous architecture post solvent removal. The DAF achieves a mechanical strength of 28.7 MPa and demonstrates low thermal conductivity of 33 mW m\(^{-1}\) K\(^{-1}\).
Additionally, the aerogel film showcases high visible-light transmittance at 91.0% and a selective infrared emissivity of 90.1%, facilitated by the presence of functional groups such as C-O-C, C-F, Si-O-Si, and Si-O-C. The incorporation of fluorine-containing groups enhances the DAF’s hydrophobicity and durability, resulting in lower surface energy and improved UV resistance. As a solar-thermal regulation window, the DAF not only optimizes indoor lighting but also provides effective thermoregulation, achieving a temperature reduction of approximately 2.6 °C under direct sunlight compared to traditional transparent glass.
Introduction
The introduction highlights the significant energy consumption attributed to buildings, particularly from refrigeration systems like air conditioners, which account for nearly 40% of global energy use. Windows, being the least energy-efficient component of building envelopes, contribute to 40%-60% of total energy consumption. To enhance energy efficiency, it is essential to develop window materials that offer high thermal insulation and effective solar radiation modulation. Passive daytime radiative cooling technology has emerged as a promising solution, allowing for heat dissipation without additional energy input. However, existing energy-saving windows struggle to achieve optimal solar-thermal regulatory cooling, necessitating the development of new materials.
The paper introduces delaminated aerogel film (DAF) as a potential solution, fabricated through a three-step process involving the delaminated gelation of fluorinated cellulose nanofibers (FCNF), solvent exchange, and ambient drying. The resulting DAF exhibits exceptional mechanical flexibility, low thermal conductivity (33 mW m⁻¹ K⁻¹), and high visible-light transmittance (91.0%). Notably, it demonstrates a selective infrared emissivity of 90.1% and high hydrophobicity, making it suitable for high-temperature and humid environments. The DAF’s performance is highlighted by its ability to lower indoor temperatures by approximately 2.6 °C compared to traditional glass while maintaining high light transmittance. This research presents a novel approach to creating energy-saving windows that effectively regulate indoor temperatures and enhance energy efficiency.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized, including a powder sample of cellulose nanofibers (CNF) sourced from Guilin Odd Macro Technologies and perfluorodecyltriethoxysilane (PFOTES) from Adamas Reagent Co. Other solvents such as ethanol, propanol, and hexane were obtained from Titan Reagent Co., with deionized water used throughout the experiments. All chemicals were employed without further purification.
Characterization of the chemical compositions of CNF and fluorinated cellulose nanofibers (FCNF) was conducted using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) within the wavelength range of 4000-400 cm$^{-1}$. Additional characterization techniques included X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for elemental analysis, mid-infrared spectral emissivity measurements via FT-IR spectrometry, and rheological assessments of FCNF hydrogel films using a HAAKE MARS rheometer. Morphological analysis was performed using field-emission scanning electron microscopy (FESEM), while Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas and pore size distributions were evaluated through nitrogen physisorption and the nonlocal density functional theory (NLDFT) model. Mechanical properties were determined using an Instron Universal Testing Machine, and structural analysis was conducted via small-angle X-ray scattering (SAXS) and X-ray diffraction (XRD). Thermal properties were assessed using a hot disk thermal analyzer and thermographic imaging, with contact angles measured by a contact angle analyzer.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system, which aligns with the theoretical predictions outlined in the introduction.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, emphasizing their relevance to the broader field of study. The authors suggest that the observed phenomena could lead to advancements in practical applications, particularly in areas such as [specific applications mentioned in the paper]. Overall, the results contribute valuable insights that enhance the understanding of the underlying mechanisms at play.
Discussion
In this study, a novel delaminated aerogel film (DAF) was successfully fabricated using a filtration-induced delaminated gelation and ambient drying strategy. The process involved the partial hydrolysis of perfluorodecyltriethoxysilane (PFOTES) in a mixed solvent, followed by the incorporation of cellulose nanofibers (CNF) to create a highly porous and flexible structure. The DAF exhibited a remarkable mechanical strength of 28.7 MPa and a low thermal conductivity of 33 mW m⁻¹ K⁻¹, attributed to the strong intra-layer hydrogen bonding and the unique mesoporous architecture. Additionally, the DAF demonstrated high visible-light transmittance (91.0%) and selective emissivity (90.1%) in the atmospheric transparency window, making it suitable for solar-thermal regulation applications.
The DAF’s performance was further validated through outdoor experiments, revealing an average temperature decrease of approximately 7.5 °C under direct sunlight, showcasing its superior cooling capabilities compared to traditional materials. The film’s durability was confirmed through aging tests, which indicated stable hydrophobicity and resistance to environmental degradation, maintaining its cooling performance even after prolonged exposure. Overall, the DAF presents a promising solution for energy-efficient building materials, combining effective indoor lighting with enhanced thermal regulation properties.